第３回海外留学報告（博⼠課程２年⽬を終えて）髙橋拓豊
DPhil in Condensed Matter Physics, University of Oxford
Max Planck Graduate Center for Quantum Materials
２０２２年７⽉１５⽇
２０２０年１０⽉より、オックスフォード⼤学の博⼠課程（物性物理学）とマックスプランク研究所の⼤学院⽣プログラム（量⼦物質）で、物質が⽰す特殊な磁⽯的性質を研究しています。
２０２１年１０⽉以降の博⼠課程２年⽬を以下に振り返ります。
1. 研究⽣活
A. 実験装置の組み⽴て
博⼠課程１年⽬の２０２１年３⽉から６⽉にかけて 3He 冷凍機をベースにした実験装置をデザインしました（第２回留学報告参照）。２０２１年１０⽉には、デザインした実験装置の部品や主要な電⼦機器が揃い、それらを本格的に組み⽴て始めました。
組み⽴てにトラブルは付き物だから覚悟しておくようにと、指導教員から事前に警告を受けておりましたが、なるほど⼀筋縄でいく作業ではありませんでした。届いた部品の径や⻑さが指定した許容誤差を僅かに超えていて、部品同⼠のかみ合いが悪かったり、接続部分が傾いてしまったり、部品が上⼿く固定されず振動の⾃由度が残ってしまったりすることがありました。いずれも⼩さなずれで、例えば⽇常的に使う家具の組み⽴てなどでは全く⽀障ない程度のものですが、極低温かつ⾼真空の環境を作って⾼精度のシグナル測定を⾏うためには⼤きな問題になりえます。
やすりで 0.1 mm 程度表⾯を削って微調整をしたり、そもそも材質や形を変更して新しい部品を注⽂したり、⼀つ⼀つ地道にトラブルを解決していきました。他にも、液体ヘリウムの蒸発量が想定の１０倍以上になってしまうなど全く予⾒できない事態にもいくつか⾒舞われ、その度に数⽇から数週間かけて原因を特定して修正しました。現実に装置を組み⽴てる作業は、コンピューター上の理想的な環境で 3D モデルをデザインするのとは全く別物で、困難が多く時間もかかっていますが楽しめています。
3He 冷凍機を組み⽴てる過程で、測定素⼦や極低温での温度計などの市販機器を随時導⼊していきました。いずれも優に５０万円を超える⾼価な機器のため、不注意で壊すことのないようにまずは⻑いマニュアルを事前にしっかり読み込みます。私は電気⼯学に深く取り組んだことがなかったため、機器の仕様のどの部分が重要で注意を払う必要があるのかわからず、当初は読み込むだけで⼀苦労でした。配線を⾏う際には、測定を理想的に⾏えるように、導線の種類（超伝導材質を使うかなど）、接続の⽅法や使⽤する材質など、細かい部分を１つ１つ検討しました。無事に冷凍機に取り付けた後は、まずは電源が⼊るか確認し、測定値として表⽰されている値が適切かどうか確認するキャリブレーションを⾏ったうえで、測定を⾃動化するためのプログラムを書きました。市販の機器はただ取り付けるだけだろうと⾼をくくっていたところもあったのですが、⾼精度測定のためには丁寧に多くの過程を経る必要があるのだと勉強になりました。また、導⼊の過程で各々の機器や電⼦⼯学についての理解も深まり、良い経験になっています。

写真１：実験装置（左が筆者、右はプロジェクトに⼀緒に取り組んでいる学⽣）
B. 先⾏研究の再現に成功
２０２２年２⽉に実験装置の試運転を⾏い、初めて実際に物質を測定しました。初回はノイズの多い煩雑なデータしかとれず上⼿くいきませんでしたが、いくつか装置のアップデートを経た後、５⽉に再度の試運転を⾏ったところ、先⾏研究の結果に合致するデータを測定できました。
デリケートな装置を⼀から設計し組み⽴てるような作業は初めての経験だったため、⾃らデザインして組み⽴てた装置が正常に動くのかという不安を常に⼼の底に抱えつつ１年間半取り組んできました。データを解析して先⾏研究と同様のデータプロットが得られた時には、とても喜ばしく⼤きな⾃信になりました。先⾏研究の再現によってようやくスタートラインに⽴った段階ではありますが、ひとまず⼤きな達成感を得ています。

C. 実験装置の引っ越しと今後の研究展望
これまでに使っていた部屋を明け渡す必要が⽣じ、ほぼまっさらな状態の新しい部屋に実験装置を移動することになりました。装置⾃体の移動は⼀週間で終わる作業なのですが、装置を持ち上げるためのクレーンの設置、ガスボトルやヘリウムガス回収管の導⼊など、ラボの基本設備を新しい部屋に導⼊する作業が必要でした。建物関連の作業はほぼ全て物理学科の職員を経て外注するため、そのための⼿続きが⾮常に煩雑で苦労しましたが、部屋のレイアウトを⾃分の実験装置に都合良く決められるという利点もありました。今この留学報告を書いている時点で、新しい部屋への実験装置の移転がようやく⼀段落したところです（写真１）。
先⾏研究の再現に成功し、新しい部屋の環境もようやく整いました。これからの計画は、第⼀に、装置のアップデートを続けて測定可能なパラメータ領域を拡げていきます。第⼆に、測定装置だけでなく測定する物質の精査にも並⾏して取り組んでいきます。６⽉にはドイツのマックスプランク研究所に１ヶ⽉滞在し、興味深い物理現象を観測できそうだと私が考えている物質の単結晶を合成しました。まずはそれらの結晶を測定しつつ、より⾯⽩い結果が得られそうな物質も同時に探していくつもりです。第三に、現在の測定装置を使ってできそうな、既存の⽅向とは違う新しい研究の⽅向性のアイディアもいくつかあり、順次試していく予定です。新しい発⾒に繋げられるよう、全⼒を尽くします。
D. Teaching Assistant (TA)
１⽉から３⽉に量⼦⼒学の授業の TA を務めました。博⼠課程の卒業要件には⼊っていません
が、⾃分が英語で上⼿く指導できるのかに興味があり、機会があれば指導に携わってみたいと予てから考えていました。
数学科の⽣徒向けの量⼦⼒学の演習授業の TA 職が偶然空いていたため、⾃ら志願しました。オックスフォードの⼀学期は８週間で、隔週で４回の演習授業がありました。
学⽣７⼈の少⼈数授業で、事前に与えた課題の答案を採点して返却したうえで、演習問題の解説をするという形式でした。内容は⼀次元散乱問題、対称性、⾓運動量、摂動計算、WKB 近似、と基本的ながら盛りだくさんで、それでも演習問題を毎回しっかり解いてきて２０ページほどの答案を提出する学⽣たちには感⼼しました。休⽇の合間を縫って採点をするのは⼤変でしたが、授業での解説はとても楽しく、説明する内容を事前に整理しておけば細かい英語の確認は丁寧にせずともあまり困らず話せたため、⾃信がつきました。
2. ⽇々の⽣活
COVID-19 関連の規制が１年⽬よりもずっと緩くなり、⽇々の⽣活での⼈との関わりが⼤きく増えました。最も⾝近な所では、カレッジの⾷堂にあったアクリル板ついたてがなくなり座る距離も近くなったため、以前よりもコミュニケーションが取りやすくなりました。フォーマルディ
ナーは週に５回開かれ、カレッジの交流イベントやコンサート、ボールパーティーなど様々なイベントがコロナ以前と同様の規模・頻度で開かれるようになり、街から活気を感じます。
研究室のオフィスもグループ全員が同じ部屋になり、⾃然に会話が⽣じて良い気分転換になるとともに⽣産性も向上していると感じます。先⽇、２年⽬の終わりにして初めて研究室の公式イベントが開かれ、「パンティング」にいきました（写真２）。平底船をさおで操ってテムズ川をゆっくりと南北に進んでいきます。１〜２ｍほどの深さの川底を４ｍほどの棒で押して推進⼒を得るため、船を前進させるのは⾒た⽬以上の重労働ですが、私は２回⽬の挑戦だったため、コツを上⼿く掴めて１回⽬の時よりもはるかに楽しく船を進めることができました。夏の天気の良い⽇にのんびりと川を進んでいくのはとても気持ちが良かったです。
８⽉には対⾯での学会発表も控えており、１１⽉には再びドイツのマックスプランク研究所を訪問してポスター発表をするなど、移動と対⾯を伴う楽しみなイベントが学術⾯でも増えてきています。夏の休暇の予定はまだ⽴てられていませんが、時間が取れればヨーロッパを旅⾏できたらと考えています。
２年間多くの時間をともにしたカレッジの友⼈が、修⼠課程を終えて来年度は新天地に移ります。３年きっかりで博⼠課程を終える予定の友⼈は、⼈⽂系の⾮常に⻑い博⼠論⽂の各チャプターを２年⽬にして既に書き始めています。実験装置を⼀から制作していることもあり、私の博⼠課程は４年程かかる⾒込みで卒業はまだしばらく先ですが、いずれは⾃分も新しい道に進んでいくことを少しずつ意識させられている今⽇この頃です。節⽬となる３年⽬が良い年になるよう、研究⽣活にも⽇々の⽣活にもきっちり取り組んで楽しんでいけたらと思っています。

写真２：研究室のメンバーとパンティング（最右が筆者）